mémoire - Centre National de Recherches Météorologiques

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comme étant proportionnel à la somme de ces forces. Dans la zone non saturée, la constante de
proportionnalité, appelée conductivité hydraulique, est elle-même une fonction de l’humidité du sol (HS).
Combinée à l’équation de continuité, la loi de Darcy permet d’écrire une équation pronostique du profil
vertical d’HS connue sous le nom d’équation de Richards. Bien que ces bases théoriques soient
établies depuis le 19 ème siècle, les schémas de surface utilisés dans les modèles de climat ont d’abord
été développés selon des approches plus empiriques. Ainsi, à la fin des années 60, Manabe (1969)
propose une paramétrisation simplifiée inspirée des travaux de Budyko (1958) à l’échelle du bassin
versant et connue sous le nom de modèle « bucket ». Elle consiste à décrire le sol comme un seau de
capacité limitée, qui déborde sous l’effet des précipitations lorsqu’il est plein (production de
ruissellement) et se vide par évapo-transpiration (ET) proportionnellement à son contenu. Cette
approche fut cependant critiquée car elle ne permet pas de distinguer l’évaporation sur sol nu de la
transpiration des plantes, ni de décrire correctement le cycle diurne. Par ailleurs, les approximations de
Budyko deviennent caduques aux petites échelles spatiales et temporelles où une description explicite
de la dynamique de la végétation devient alors nécessaire pour rendre compte de la variabilité du bilan
hydrique (Donohue et al. 2006).
Sur sol nu, l’évaporation dépend de l’humidité superficielle dont la connaissance nécessite en
théorie de résoudre explicitement l’équation de Richards. Comme pour la température de surface, la
méthode « force-restore » de Deardorff (1978) permet en pratique de rendre compte du cycle diurne de
l’humidité en surface, sans traiter de manière explicite les mécanismes responsables de l’évolution de
l’humidité du sol profond (Noilhan et Planton 1989). Cette solution demeure cependant approximative.
C’est pourquoi un terme de drainage gravitationnel a d’abord été ajouté au schéma ISBA (Mahfouf et
Noilhan 1996), puis une troisième couche hydrologique correspondant à une zone de recharge pour la
zone racinaire (Boone et al. 1999). La transpiration des plantes dépend non seulement de l’humidité de
la zone racinaire, mais également de facteurs atmosphériques tels que le rayonnement solaire incident,
la température et l’humidité de l’air. Une paramétrisation de ces effets (Jarvis 1976) a été introduite
dans ISBA comme dans la plupart des schémas de surface de cette génération (Dickinson et al. 1986,
Sellers et al. 1986). Elle nécessite de définir une résistance stomatique minimale, puis de passer de
l’échelle de la feuille à celle du couvert. Elle ne permet pas de rendre compte de l’effet direct de la
concentration atmosphérique en dioxyde de carbone (CO2) sur l’ouverture des stomates.
Le terme de ruissellement a pendant longtemps été le parent pauvre de la modélisation du
bilan hydrique de surface (Koster et Milly 1997). Depuis le modèle bucket de Manabe (1969), où le
ruissellement n’apparaît qu’une fois le réservoir saturé, les choses ont cependant évolué. Comme
l’indiquent les observations de terrain, il peut dans certains schémas se déclencher lorsque l’intensité
des précipitations dépasse la capacité d’infiltration du sol. Ce mécanisme, appelé ruissellement de
Horton, reste cependant délicat à modéliser. Expérimentalement, on constate en effet que plus la
superficie considérée est importante, plus le coefficient de ruissellement diminue, ceci même en
présence d’une surface relativement homogène. Cela signifie que de l’eau qui ruisselle sur une petite
surface, coulant le long de la pente ou dans un ruisseau, va s’infiltrer un peu plus loin et disparaître de
la lame ruisselée. Peu de modèles sont susceptibles de rendre compte de ce facteur d’échelle, ainsi
que de la diversité des paramètres qui influencent le ruissellement de Horton : nature du sol, présence
éventuelle d’une croûte de battance, urbanisation, pratiques agricoles, activité biologique, pente,
couvert végétal, intensité des précipitations, et humidité du sol.
Un second mécanisme contribue à la production de ruissellement. Il s’agit du ruissellement de
Dunne ou ruissellement sur surface saturée. Comme son nom l’indique, il se produit dans les zones de
bas-fond, c’est à dire les zones marécageuses et/ou le voisinage immédiat des rivières au fond des
vallées. Ces régions, souvent qualifiées d’hydromorphes, se trouvent rapidement gorgées d’eau et
produisent du ruissellement dès les premières précipitations. Bien connu des hydrologues (Beven et
Kirby 1979), ce phénomène n’a été introduit dans les MSC que très récemment et de manière plus ou
moins empirique. Le principe général est de définir une fraction saturée au sein de la maille, sur laquelle
tout événement pluvieux se traduira par un écoulement en surface. Dans sa version Arpège-Climat, le
schéma ISBA se comporte encore comme un modèle de type « bucket ». Les mécanismes de Dunne et
Horton sont quasiment inexistants et l’essentiel du ruissellement se produit sous forme de drainage